電源中電磁元件的鐵心結構

1引言

鐵心是電源中電磁元件的重要部件，對它的性能起著重要的作用。設計電磁元件的鐵心，包括以下幾個主要內容：

（1）根據電源的電路和工作頻率，轉換成鐵心對軟磁材料的要求，選取適用的軟磁材料；

（2）根據電源要求的性能指標，選取適用的鐵心結構形式；

（3）根據傳送功率和輸入阻抗（輸入電感），計算和選取鐵心尺寸；

（4）根據電磁元件電磁場數學模型，進行鐵心和線圈參數計算；

（5）根據使用要求，換算鐵心散熱面積和工作溫度。

如果工作頻率在10Hz至20kHz的聲頻范圍內，還要考慮周圍環境對可聞噪聲的要求。在強調環境保護的今天，可聞噪聲污染，對人的身心都會造成相當的危害。因此，降低可聞噪聲，使它限制在一定范圍內，是相當重要的。如果達不到指標，在設計鐵心結構時要采取降低噪聲的措施。

對有鐵心的電源變壓器，第（1）、第（2）項是決定性的，文獻1中已作介紹，不再贅述。關于第（3）項，比較通用的是從下面三個公式來設計和選取鐵心尺寸。

ACAO=P2(1＋η)/KUJfΔBm(1)

ACLC=P2(1＋η)/KUμOμfΔBm(2)

L1=μOμACN12/lC(3)

式中：AC是鐵心實際截面積（包括鐵心占空系數KC）；

AO是鐵心窗口實際面積（包括窗口占空系數KO），ACAO是鐵心的特征參數；

P2是電源變壓器的輸出功率；

η是電源變壓器的效率，P2(1＋η)相當于電源變壓器的視在功率；

KU是波形系數，對矩形波為2，對正弦波為222；

J是電流密度；

f是工作頻率；

ΔBm是工作磁通密度變化范圍，對磁通密度雙向變化的電源變壓器為2Bm，對磁通密度單向變化的電源變壓器為Bm－Br；

lC是鐵心的平均磁路長度，ACLC是鐵心的有效體積；

L1是輸入電感；

μO是真空磁導率；

μ是鐵心在工作頻率下的有效磁導率；

N1是輸入（初級）線圈匝數。

關于第（4）項，在超過一定工作頻率的高頻條件下，電源變壓器的設計應當考慮電磁場的一維、二維或三維數學模型，否則會造成相當大的誤差。原電子工業部的指導性技術文件SJ/Z292188《開關電源變壓器設計方法》已不再適用。應當根據現在已經比較普及的計算機輔助設計，制定新的指導性技術文件。

關于第（5）項，一般不怎么受設計者重視，而是根據試制樣品溫升試驗的結果再作修改。但是對功率較大（例如100W以上），工作頻率較高（例如100kHz以上），還是先進行鐵心工作溫度核算，以便在設計中采取措施，防止鐵心溫升超過規定值。

以上簡單地介紹電源變壓器鐵心的設計程序，不但是為了強調軟磁材料和鐵心結構對電源變壓器的重要性，同時也是為了澄清現在設計中流行的一些方向誤導的作法，供同行們參考。由于收集資料還不完備，這里只介紹高度為厘米級以上的立體式鐵心結構，包括復合鐵心結構和多功能（磁集成）鐵心結構。至于高度為1mm～10mm級的平面式鐵心結構和高度為1mm級以下的薄膜式鐵心結構，以后再作介紹。

圖1硅鋼鐵心的片形

(a)I形(b)CI形(c)EI形(d)EE形

圖2硅鋼疊片式鐵心結構截面

(a)方形(b)三階梯形(c)多階梯形

2硅鋼鐵心

50Hz～60Hz工頻電磁元件和400Hz～1000Hz中頻電磁元件，多數選用硅鋼鐵心。硅鋼鐵心結構分為疊片式鐵心和卷繞式鐵心兩種。

疊片式鐵心是把硅鋼帶材通過剪切或沖壓成鐵心片，然后疊裝成一定結構形式的鐵心。從鐵心片形狀發展來看（圖1），最早是單I形，后來是CI形、EI形和EE形，其目的是便于疊裝，減少工時。如果材料是取向硅鋼帶，要注意使磁路中磁力線方向與硅鋼取向一致，不要與硅鋼取向垂直，否則會增加鐵心激磁能量和鐵心損耗。為了解決轉角處磁力線方向不與硅鋼取向垂直，后來又發展成45°斜切角形片形。從疊裝成的鐵心截面發展來看（圖2），最早是方形，后來發展成三階梯形、多階梯形，使鐵心截面逐步趨向圓形。這一方面是為了減少線圈平均匝長，降低阻抗和銅損；另一方面也是為了便于線圈繞制。從疊裝成的鐵心柱數發展來看（圖3），最早是用于單相變壓器和電抗器的兩柱式，后來發展成用于三相變壓器的三柱式，用于帶平衡電抗器的整流變壓器的五柱式。

卷繞式鐵心是把硅鋼帶材剪切成需要的寬度后，卷繞成一定結構形式的鐵心。從卷繞成的鐵心形狀發展來看（圖4），最早為環形，后來為了便于絕緣結構設計和線圈繞制，發展成方框形。方框形包括：用于單相電源變壓器的單框式和雙框式，用于三相電源變壓器的三框式和四框式。三框式又分為兩種：一種是合成的，由兩個小框外套一個大框組成；一種是獨立的，由互相成120°角布置的三個方框組成。為了使鐵心截面逐漸趨向圓形，和疊片式鐵心一樣，卷繞式鐵心截面也從矩形，經過三階梯形、多階梯形，發展成鐵心截面基本上是圓形的R形鐵心。截面是R形的卷繞式環形鐵心，稱為O形鐵心。既可充分利用鐵心材料，又可以減少線圈平均匝長，是比較理想的卷繞式鐵心結構。

圖3硅鋼疊片式鐵心結構柱數

(a)兩柱式(b)三柱式(c)五柱式

圖4硅鋼卷繞式鐵心結構形狀

(a)環形(b)單框形(c)雙框形(d)合成三框形(e)120°布置三框形

圖5硅鋼CD形和XD形鐵心結構